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微处理器系统结构与嵌入式系统设计作业答案
第三章
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指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合,其决定了一台计算机硬件主要性能和基本功能。指令系统一般都包括以下几大类指令(1)数据传送类指令。(2)运算类指令包括算术运算指令和逻辑运算指令。(3)程序控制类指令主要用于控制程序的流向。(4)输入/输出类指令简称I/O指令,这类指令用于主机与外设之间交换信息。
因而,其设计会影响到计算机系统如下性能: 数据传送、算术运算和逻辑运算、程序控制、输入/输出。另外,其还会影响到运算速度以及兼容等。
。流水线有5段,并以每时钟周期1条的速率发射指令。不考虑分支指令和乱序执行带来的性能损失。a)同样执行这个程序,该处理器比非流水式处理器可能加速多少?b)此流水式处理器是吞吐量是多少(以MIPS为单位)?
解:(a.)

速度几乎是非流水线结构的5倍。
( b.)
GHz的非流水式处理器,其平均CPI是4。此处理器的升级版本引入了5级流水。然而,由于如锁存延迟这样的流水线内部延迟,使新版处理器的时钟频率必须降低到2 GHz。
(1) 对一典型程序,新版所实现的加速比是多少?
(2) 新、旧两版处理器的MIPS各是多少?
解:(1)对于一个有N条指令的程序来说:
非流水式处理器的总执行时间
5级流水处理器的总执行时间
加速比= N很大时加速比≈
(2)非流水式处理器CPI=4,则
其执行速度=2500MHz/4=625MIPS。
5级流水处理器CPI=1,则
其执行速度=2000 MHz /1=2000 MIPS。
?详细说明各部件的作用。
随机逻辑的特点是指令集设计与硬件的逻辑设计紧密相关,通过针对特定指令集进行硬件的优化设计来得到逻辑门最小化的处理器,以此减小电路规模并降低制造费用。
主要部件包括:产生程序地址的程序计数器,存储指令的指令寄存器,解释指令的控制逻辑,存放数据的通用寄存器堆,以及执行指令的ALU等几个主要部分构成。
什么是微代码体系结构?微指令的作用是什么?
在微码结构中,控制单元的输入和输出之间被视为一个内存系统。控制信号存放在一个微程序内存中,指令执行过程中的每一个时钟周期,处理器从微程序内存中读取一个控制字作为指令执行的控制信号并输出。
微指令只实现必要的基本操作,可以直接被硬件执行。通过编写由微指令构成的微代码,可以实现复杂的指令功能。微指令使处理器硬件设计与指令集设计相分离,有助于指令集的修改与升级,并有助于实现复杂的指令。
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(1)指令集的改变导致不同的硬件设计开销。
在设计随机逻辑结构时,指令集和硬件必须同步设计和优化,因此设计随机逻辑的结构比设计微码结构复杂得多,而且硬件和指令集二者中任意一个变化,就会导致另外一个变化。
在微码结构中,指令设计通过为微码ROM编写微码程序来实现的,指令集的设计并不直接影响现有的硬件设计。因此,一旦修改了指令集,并不需要重新设计新的硬件。
(2)从性能上比较
随机逻辑在指令集和硬件设计上都进行了优化,因此在二者采用相同指令集时随机逻辑结构要更快一些。但微码结构可以实现更复杂指令集,因此可以用较少的指令完成复杂的功能,尤其在存储器速度受限时,微码结构性能更优。
微处理器系统结构与嵌入式系统设计作业答案
第五章